Intel Penryn - Primele procesoare pe 45nm

Dupa aproape un an de la lansarea primului procesor desktop cu patru nuclee, Intel introduce un obiect revolutionar: primul procesor pe 45nm. Desi are la baza microarhitectura Core, acesta aduce o succesiune de inovatii, de la cantitatea de memorie cache L2 mai mare, pana la modificarea trazistorilor utilziati.

O privire asupra microarhitecturii Core
Stephen Fischer, cel care a condus echipa de dezvoltare a arhitecturii Penryn, a enumerat atributele procesoarelor care folosesc arhitectura Core: Intel Wide Dynamic Execution, Intel Advanced Smart Cache, Intel Smart Memory Access, Intel Advanced Digital Media Boost si Intel Intelligent Power Capability. Wide Dynamic Execution se refera la: probabilitatea executarii a patru instructiuni intr-un ciclu de ceas, cele 14 nivele de pipeline, Micro-Fusion si Macro-Fusion si unitati ALU imbunatatite. Prin Advanced Smart Cache, fiecare nucleu poate accesa memoria cache L2 comuna. Smart Memory Access introduce o functie, denumita Memory Disambiguation. Aceasta este de fapt un predictor care îngăduie schimbarea ordinii in care sunt efectuate instructiunile, in functie de legaturile dintre acestea.

Avantajele procesului de fabricatie pe 45nm
Principalul avantaj oferit de noile procesoare Intel este introducerea celor 47 de noi instructiuni SSE4. De asemenea, numarul de tranzistori a fost dublat de la 293 de milioane la 410 milioane, suprafata pastilei fiind redusa de la 143mmp la 107mmp. Totodata, memoria cache L2 a fost marita cu 50%. Doua noi tehnologii introduse de Intel sunt Deep Power Down si Enhanced Dynamic Accelleration. Toate aceste semne conduc la consum de potență redus si la posibilitatea obtinerii unor frecvente mai mari, la aceeasi temperatura de functionare si cu acelasi consum de energie.

Power Management
Prin clock gating, clock-urile nefolosite sunt oprite, ducand la o reducere considerabila a consumului de energie. Pierderile de energie sunt controlate prin "sleep transistors". Acestia sunt folositi in zone mari, ca de exemplu memoria cache L2 pentru a micsora tensiunea aplicata. Astfel, atunci cand memoria cache L2 nu este accesata, aceasta nu mai consuma energie.
Pentru o optimizare cat mai buna a consumului de energie, Intel a introdus nivelele C si nivelele P. Primele sunt nivele de reducere a energiei atunci cand procesorul este idle, iar ultimele reprezinta nivele de performanta. Cele două reprezinta de fapt presetari introduse in procesor sub forma unor tabele si functioneaza prin reglarea voltajului si a frecventei, lucru efectuat de catre sistemul de operare prin intermediul ACPI-ului si al BIOS-ului. Procesorul este monitorizat termic si protejat cu ajutorul mai multor senzori. Functia de monitorizare este activa indiferent de BIOS sau de setari, ducand la reducerea voltajului si a frecventei in cazul unei supraincalziri. Cu toate acestea, nu exista un mecanism care sa impiedice utilizatorul sa depaseasca un anumit prag in cazul TDP-ului. Un alt mecanism care ajuta la optimizarea consumului de energie in functie de incarcarea procesorului este Intelligent Voltage Regulator. Interfata PECI este cea care permite reglarea turatiei ventilatorului in functie de temperatura.
O tehnologie nou introdusa odata cu Penryn este DPD (Deep Power Down), care permite obtinerea unui consum de energie mai mic decat pana acum. Utilizand DPD, nucleul si memoriile cache L1 si L2 sunt oprite in idle, insa si momentul necesar pentru wakeup este mai mare.
Aceasta stare poate interveni de cateva sute de ori intr-o singura secunda, trecand prin toate etapele aferente.
Mecanismul DPD este impartit in patru parti principale: State Storage, State Definition, Microcode si PM Unit. Prin State Storage, se salveaza dispoziția in care se afla procesorul inainte de a intra in DPD, fiind necesari cate 8KB pentru fiecare nucleu. State Definition alege informatiile care trebuie pastrate, cum ar fi cele legate de arhitectura si cele care nu sunt importante, ca de pildă registrii de temperatura. PM Unit coordoneaza nucleele pentru ca astea sa intre simultan in starea DPD. Acesta este necesar deoarece exista un singur VRM (Voltage Regulator Module) si, drept urmare, tensiunea va fi redusa pe ambele nuclee in acelasi timp.
Conform lui Stephen Fischer, mecanismul duce la o reducere a consumului de energie cu cam 44% in cazul rularii testului Productivity din MobileMark05, procesorul functionand in starea DPD 70% din timp.
EDAT (Enhaced Dynamic Accelleration Technology) este un alt mecanism intalnit numai in cazul procesoarelor Penryn. Conceptul de functionare este suficient de simplu: in cazul in care o aplicatie utilizeaza un solitar nucleu, este marit voltajul așezat procesorului odata cu frecventa acestuia, ducand la o imbunatatire a performantei. Trebuie mentionat ca acest lucru este creat fara a se depasi TDP-ul specificat. Marirea frecventei este obtinuta prin marirea automata a multiplicatorului.
Atat DPD, cat si EDAT sunt mecanisme implementate numai in cazul procesoarelor menite segmentului mobile.
SSE4
In 1999, Intel introducea SSE, care contine 70 de instructiuni. Dupa numai un an, aparea SSE2, care aducea 144 de noi instructiuni. SSE3, introdus in 2004, contine 13 instructiuni, iar SSSE3 asigură inca 32 de instructiuni. SSE4, introdus odata cu Penryn, adauga 47 de instructiuni axate in aparte pe accelerare grafica. Acesta este cel mai mare set de instructiuni introdus din 2000 pana acum si se adreseaza unor cerinte îndeajuns de populare. De asemenea, imbunatateste performantele compilatorului si a unor aplicatii specializate, precum cele pentru codare video. Astfel, in timp ce in prezent pentru o codare video este nevoie de rularea a 8 linii de cod, cu susținerea SSE4 acestea sunt reduse la o singura instructiune.
High-K Metal Gate
Pentru obtinerea procesoarelor pe 45nm, inginerii Intel au fost nevoiti sa revolutioneze tranzistorul. Conform Ann Kelleher, F24 Factory Manager, tranzistorii High-K Metal Gate reprezinta cea mai mare evolutie in tehnologia tranzistorilor de la introducerea portilor din polisiliciu in tranzistorii MOS la sfarsitul anilor 60. De asemenea, noile procesoare nu contin plumb, iar la sfarsitul anului 2008 vor fi eliminati si halogenii.
Principalele avantaje ale tehnologiei de fabricatie pe 45nm si a introducerii tranzistorilor High-K Metal Gate sunt marirea densitatii de tranzistori de aproximativ doua ori, reducerea consumului energetic cu aproximativ 30%, imbunatatirea vitezei de lucru a tranzistorilor cu circa 20%, reducerea pierderilor de energie intre sursa si drena de peste cinci ori si a celor din oxidul de poarta de peste zece ori. Trebuie mentionat ca aceste imbunatatiri se datoreaza doar tehnologiei High-K Metal Gate, permitand in acelasi timp si respectarea legii lui Moore.
Noua inginerie de fabricatie a tranzistorilor aduce doua inovatii: inlocuirea portii de polisiliciu cu poarta de metal (se folosesc metale variate pentru NMOS si PMOS) si inlocuirea oxidului de poarta SIO cu oxid de poarta High-K. Denumirea High-K provine de la capacitatea condensatorilor cu armaturi paralele (raportul dintre permitivitatea dielectricului inmultit cu suprafata si grosime). Litera K reprezinta raportul dintre permitivitatea (indica abilitatea materialului de a conduce curentul electric) oxidului întrebuințat si cea a vidului. Astfel, cu cat K este mai mare, cu atat curentul trece mai usor si pierderile sunt mai mici, intrucat oxidul poate avea o grosime mai mica decat pana acum. Intel a folosit un compus bazat pe hafnium, obtinand in felul acesta un K mare (High-K). Intel sustine chiar ca fara High-K Metal Gate, introducerea procesoarelor pe 45nm nu ar fi fost posibila datorita pierderilor extrem mari de energie.
Materialele folosite de catre Intel pentru tranzistorii High-K Metal Gate sunt secrete, insa oficialii companiei sustin ca sunt dispusi sa vanda licente pentru utilizarea acestei tehnologii de catre alti producatori.